מוליכים, מוליכים למחצה ודיאלקטריים בשדה חשמלי

בחשמל מבחינים בשלוש קבוצות עיקריות של חומרים - אלו הם מוליכים, מוליכים למחצה ודיאלקטריים. ההבדל העיקרי שלהם הוא היכולת להוביל זרם. במאמר זה, נבחן כיצד סוגי חומרים אלו נבדלים וכיצד הם מתנהגים בשדה חשמלי.

מהו מנצח

חומר שבו נמצאים נושאי מטען חופשיים נקרא מוליך. התנועה של נשאים חופשיים נקראת תרמית. המאפיין העיקרי של מוליך הוא ההתנגדות שלו (R) או מוליכותו (G) - ההדדיות של ההתנגדות.

G = 1 / R

במילים פשוטות, מוליך מוליך זרם.

חומרים אלה כוללים מתכות, אבל אם אנחנו מדברים על לא מתכות, אז, למשל, פחמן הוא מוליך מצוין, מצא יישום במגעים הזזה, למשל, במברשת מנוע חשמלי. אדמה רטובה, תמיסות של מלחים וחומצות במים, גם גוף האדם מוליך זרם, אך המוליכות החשמלית שלהם לרוב פחותה מזו של נחושת או אלומיניום, למשל.

מתכות הן מוליכות מצוינות בשל המספר הגדול של נושאי מטען חינם במבנה שלהן. בהשפעת שדה חשמלי, המטענים מתחילים לנוע, וגם מתחלקים מחדש, נצפית תופעת האינדוקציה האלקטרוסטטית.

מה זה דיאלקטרי

דיאלקטריים הם חומרים שאינם מוליכים זרם, או מוליכים, אבל בצורה גרועה מאוד. אין להם נושאי מטען חופשיים, מכיוון שהקשר בין חלקיקי האטום חזק מספיק היווצרות של נשאים חופשיים, לכן, בהשפעת שדה חשמלי, הזרם בדיאלקטרי אינו עושה זאת עולה.

גז, זכוכית, קרמיקה, פורצלן, שרפים מסוימים, טקסטוליט, קרבוליט, מים מזוקקים, עץ יבש, גומי הם דיאלקטריים ואינם מוליכים זרם חשמלי. בחיי היומיום, דיאלקטריים נמצאים בכל מקום, למשל, הם משמשים לייצור מארזים למכשירי חשמל, מתגים חשמליים, מארזים לתקעים, שקעים וכו'. בקווי חשמל, מבודדים עשויים מדיאלקטריים.

עם זאת, בנוכחות גורמים מסוימים, למשל, רמה מוגברת של לחות, עוצמת השדה החשמלי גבוהה יותר ערך מותר וכן הלאה - מובילים לכך שהחומר מתחיל לאבד את הפונקציות הדיאלקטריות שלו והופך מנצח. לפעמים אפשר לשמוע ביטויים כמו "התמוטטות המבודד" – זו התופעה שתוארה לעיל.

בקיצור, המאפיינים העיקריים של דיאלקטרי בתחום החשמל הם בידוד חשמלי. היכולת למנוע את זרימת הזרם היא שמגינה על אדם מפני פציעות חשמליות וצרות אחרות. המאפיין העיקרי של דיאלקטרי הוא החוזק הדיאלקטרי שלו - ערך השווה למתח השבר שלו.

מהו מוליך למחצה

מוליך למחצה מוליך זרם חשמלי, אבל לא כמו מתכות, אלא בתנאים מסוימים - תקשורת האנרגיה לחומר בכמויות הנדרשות. זה נובע מהעובדה שיש מעט מדי או אין נושאי מטען חופשיים (חורים ואלקטרונים), אבל אם תפעיל כמות מסוימת של אנרגיה, הם יופיעו. אנרגיה יכולה להיות בצורות שונות - חשמלית, תרמית. כמו כן, חורים ואלקטרונים חופשיים במוליך למחצה יכולים להיווצר בהשפעת קרינה, למשל, בספקטרום ה-UV.

היכן משתמשים במוליכים למחצה? הם משמשים לייצור טרנזיסטורים, תיריסטורים, דיודות, מיקרו-מעגלים, נוריות LED ועוד. חומרים כאלה כוללים סיליקון, גרמניום, תערובות של חומרים שונים, למשל, גליום ארסניד, סלניום, ארסן.

כדי להבין מדוע מוליך למחצה מוליך זרם חשמלי, אבל לא כמו מתכות, אתה צריך לשקול חומרים אלה מנקודת המבט של תורת הלהקות.

תורת האזורים

תורת הלהקה מתארת ​​את נוכחותם או היעדרם של נושאי מטען חופשיים ביחס לשכבות אנרגיה מסוימות. רמת האנרגיה או השכבה נקראת כמות האנרגיה של אלקטרונים (גרעינים של אטומים, מולקולות - חלקיקים פשוטים), הם נמדדים במונחים של אלקטרונים וולט (EV).

התמונה למטה מציגה שלושה סוגים של חומרים עם רמות האנרגיה שלהם:

שימו לב שבמוליך, רמות האנרגיה מרצועת הערכיות לפס ההולכה משולבות לכדי דיאגרמה בלתי שבירה. פס ההולכה ופס הערכיות חופפים, זה נקרא פס החפיפה. בהתאם לנוכחות של שדה חשמלי (מתח), טמפרטורה וגורמים אחרים, מספר האלקטרונים עשוי להשתנות. הודות לאמור לעיל, אלקטרונים יכולים לנוע במוליכים, גם אם ניתנת להם כמות מינימלית של אנרגיה.

למוליך למחצה יש ערך אסור מסוים בין פס הערכיות לפס ההולכה. פער הפס מתאר כמה אנרגיה צריך להקנות למוליך למחצה כדי שהזרם יזרום.

עבור דיאלקטרי, הדיאגרמה דומה לזו שמתארת ​​מוליכים למחצה, אבל ההבדל הוא רק בפער הרצועה - הוא גדול פי כמה כאן. ההבדלים נובעים מהמבנה הפנימי ומהחומר.

הסתכלנו על שלושת סוגי החומרים העיקריים והבאנו דוגמאות ותכונות. ההבדל העיקרי שלהם הוא היכולת להוביל זרם. לכן, כל אחד מהם מצא את תחום היישום שלו: מוליכים משמשים להעברת חשמל, דיאלקטריות - לבידוד חלקים חיים, מוליכים למחצה - לאלקטרוניקה. אנו מקווים שהמידע שסופק עזר לך להבין מהם מוליכים, מוליכים למחצה ודיאלקטריים בשדה חשמלי, כמו גם מה ההבדל ביניהם.

לבסוף, אנו ממליצים לצפות בסרטון שימושי בנושא:

אתה כנראה לא יודע:

• גורמים לאובדן חשמל למרחקים ארוכים
• התלות של ההתנגדות של המוליך בטמפרטורה
• מהו אובדן דיאלקטרי
• מהו מטען חשמלי